鋰電池不但是手機(jī)、筆記本等數(shù)碼設(shè)備上最常使用的儲(chǔ)能設(shè)備，它在汽車(chē)和航空領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸增加。
但是鋰電池的發(fā)展不是一帆風(fēng)順的。2006年，索尼品牌數(shù)十臺(tái)筆記本電腦發(fā)生起火事故，召回了幾百萬(wàn)塊鋰電池。索尼透露，電池生產(chǎn)過(guò)程中，有微量的金屬雜質(zhì)進(jìn)入電池，引起短路，是起火的原因。
去年，波音公司曾一度停飛多架787飛機(jī)，因?yàn)椴ㄒ舭l(fā)現(xiàn)有兩臺(tái)飛機(jī)的電池組過(guò)熱起火。盡管之后電池組重新設(shè)計(jì)，但是起火原因仍未查明。
為了解決上述安全隱患，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)智能鋰電池，讓電池在過(guò)熱之前發(fā)出警報(bào)。材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授YiCui說(shuō)：“我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)早期警報(bào)系統(tǒng)，挽救生命和財(cái)產(chǎn)。它可以探測(cè)電池正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間出現(xiàn)的問(wèn)題。但是沒(méi)法監(jiān)控故障電池（如撞車(chē)后的鋰電池）的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。”Cui說(shuō)目前鋰電池起火事故的發(fā)生概率為百萬(wàn)分之一，考慮到手機(jī)電腦等電子產(chǎn)品數(shù)億臺(tái)的年銷(xiāo)量，事故總數(shù)仍然太高。我們希望將起火率降低到十億分之一或零。
常規(guī)鋰電池由兩個(gè)電極組成——碳氧極和鋰金屬氧化物陰極，中間是極薄的聚合物隔膜。如果隔膜受損，電池就會(huì)短路，點(diǎn)燃可燃的電解液。隔膜的材料和塑料水瓶相同，具有多孔結(jié)構(gòu)，鋰離子可以通過(guò)隔膜，實(shí)現(xiàn)電池充放電。
索尼公司發(fā)現(xiàn)工藝缺陷（如摻雜的金屬粒子、灰塵粒子）會(huì)刺穿隔膜、引起短路。短路還可能由過(guò)充電Overcharge造成。過(guò)充電指的是低溫下的過(guò)快充電。Cui說(shuō)：“過(guò)充電會(huì)引起鋰離子在陽(yáng)極堆積，產(chǎn)生鋰金屬枝晶。枝晶能刺穿多孔隔膜，長(zhǎng)期發(fā)展還能接觸到陰極，引起電池短路。前幾年我們開(kāi)始研發(fā)智能隔膜，它可以在枝晶接觸陰極之前檢測(cè)短路發(fā)生。”Cui和他的同事在復(fù)合物隔膜一側(cè)覆蓋了一層銅膜，在陰極和陽(yáng)極之間建立了第三個(gè)隔斷層。
Cui手下的研究生DensyZhuo說(shuō)：“銅膜起到傳感器的作用。通過(guò)測(cè)量陽(yáng)極和銅膜之間的電壓，當(dāng)枝晶生長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，接觸銅膜時(shí)，電壓降到零。這就告訴你枝晶已跨越陰陽(yáng)極間距的一半，也是換電池的警告，以防枝晶完全生長(zhǎng)到達(dá)陰極并短路。”
枝晶生長(zhǎng)最有可能發(fā)生在充電過(guò)程中，而不是電池使用（放電）過(guò)程中。Zhuo說(shuō)：“用戶(hù)的手機(jī)可以收到報(bào)警消息，說(shuō)電壓已經(jīng)降到零，需要換電池。這給用戶(hù)留出更多時(shí)間作出反應(yīng)或逃生，而不是等到電池冒煙起火后，才手忙腳亂地滅火、換電池。把銅膜到陽(yáng)極的距離縮短，枝晶會(huì)更早地將陽(yáng)極和銅膜聯(lián)通，報(bào)警的靈敏度更高。”
除了觀察電壓下降水平之外，通過(guò)測(cè)量陰極和隔膜之間的電壓，研究人員還能得出枝晶生長(zhǎng)的具體位置。顯微鏡觀看發(fā)現(xiàn)：隔膜破洞位置和預(yù)測(cè)的枝晶位置吻合，該方法得到證實(shí)。
Cui團(tuán)隊(duì)的博士后HuiWu說(shuō)：“聚合物隔膜外層的銅膜厚度僅為50納米，比隔膜本身薄500倍。加上銅膜后，隔膜仍保持了足夠的彈性和多孔性，性能和常規(guī)隔膜相同，所以它幾乎不會(huì)影響鋰離子在陰極和陽(yáng)極之間的流動(dòng)。額外的銅膜并不影響電池性能，但是巨大地提升了安全性。”
絕大多數(shù)鋰離子電池用于小型電子設(shè)備。Zhuo說(shuō)：“但是電動(dòng)車(chē)和飛機(jī)電子設(shè)備越來(lái)越多地采用鋰電池，電池組越變?cè)酱螅踩愿又匾１热缬蓭浊K鋰離子電池組成的電池組，如果其中一塊發(fā)生爆炸，可能引起整個(gè)電池組的爆炸。”
早期警報(bào)技術(shù)還可用于鋅、鋁等其他金屬電池中。Cui說(shuō)：“該技術(shù)可以用于預(yù)測(cè)所有由短路導(dǎo)致的電池爆炸。”
